水素発生装置とは?

水素発生装置は、電力を使用して水を水素と酸素に分解する電気化学デバイスです。水素発生装置は水素の製造に使用され、再生可能エネルギー源、水素タンク、燃料電池電気自動車などの燃料電池システムと組み合わせる場合、グリーンエネルギー生産から貯蔵、配電に至るシステムの一環とみなされます。

水素発生装置は、電解質素材の違いに着目して、アルカリ、高分子電解質膜 (PEM)、および固体酸化物の 3 種類に大別されます。PEM 水素発生装置は、プロトン輸送を可能にし、電子フローを遮断する半透膜を使用して水を分解します。この特徴から、この種の水素発生装置はプロトン交換膜電解槽とも呼ばれています。

下図に示すように、電解槽のアノードから水が入ります。2 つの電極間に直流電流 (DC) を流すと、負に帯電した水分子中の酸素が電子を手放し、アノードにプロトン、電子、および酸素が発生します。プロトンは膜を通過してカソードに移動し、そこで電子と結合して水素を発生させます。

カソード、膜、アノードとラベル付けされた 3 本のバーがつながっています。下部の数式は、アノード、カソード、およびすべての反応を表しています。

水を電気分解して水素を製造する際の、アノードとカソードでの化学反応を詳細に示した PEM 水素発生装置。

PEM 水素発生装置は、他の水素発生装置に比べてエネルギー効率が高く、動作温度範囲が広く、メンテナンスが容易であることが評価されています。

水素発生装置のソフトウェアモデルを作成することで、水素製造をさまざまな忠実度レベルでシミュレーションできます。Simscape Electrical™ および Simscape Fluids™ は、水素発生装置のモデル作成に役立ち、以下のことが可能になります。

詳細な電気化学反応を記述した水素発生装置モデルを使用した、電解槽スタックの電熱性能の評価
コンポーネントとバランスオブプラントのサイジングのための機能の詳細を含む水素発生装置モデルを使用した、水素製造システムの設計、シミュレーション、および性能の最適化
ハードウェアインザループテストに適した水素発生装置モデルを使用した、電解槽制御システムの開発および微調整
再生可能エネルギーと水素発生装置モデルを使用した、水素製造システムに関する技術経済学的研究

Simscape™ および Simscape Electrical には、水素発生装置のシミュレーションを行うためのモデルライブラリが用意されています。これらのモデルを使用して、水素発生装置をより大規模な電気システム内の電気負荷として解析できます。Simulink^® では、電解槽モデルを使用して、閉ループ制御や監視論理設計などの電解槽システム制御の開発をサポートできます。Embedded Coder^® および HDL Coder™ を使用すると、コントローラー用の読みやすく効率的な C/C++ コードや HDL コードの自動生成、ハードウェアインザループテストを使用した制御設計の妥当性の確認、組み込みプロセッサや FPGA/SoC ターゲットへのコードの展開が簡単にできるようになります。

水素発生装置のモデルを構築するには、Simscape Electrical 電解槽モデルから始めることができます。このモデルでは、供給される電気エネルギーと水温に基づいて、製造される水素量と消費される水量が計算されます。水素発生装置モデルは、直列に接続された個々の電解槽セルのスタックを表しており、セル数、水パージロジック、輸送エリア、電極間距離、電極ペア数などの構成をカスタマイズできます。パラメーター設定用の追加オプションには、電解効率、効率温度、電気抵抗率、pH 値の仮定などがあります。

Simscape Electrical 電解槽モデル。

Simscape Electrical および Simscape Fluids を使用することで、PEM 電解槽のモデル全体をカスタマイズできます。これには、電解槽スタックのほか、熱交換器、除湿器、圧力調整器、水と酸素の再循環経路、水管理などのバランスオブプラントコンポーネントがあります。詳細な電気化学、熱流体ネットワーク、蒸気ネットワークを含むこの第一原理ベースの水素発生装置モデルを使用して、コンポーネントレベルとシステムレベルの両方で PEM 電解槽を開発できます。この詳細レベルのモデルでは、以下のことが可能です。

さまざまなコンポーネント仕様やさまざまな操作条件下での水素発生装置の動作のシミュレーション
熱、圧力、水の管理のための制御の設計
電解槽のスタック温度、電圧、電力消費量、水消費量、水素製造量など、主要な動作指標の監視および管理

MEA を表すカスタム Simscape ブロックを使用した PEM 水電解槽の Simulink モデル。水の供給をモデル化した熱流体ネットワーク、酸素フローをモデル化したアノード蒸気ネットワーク、および水素フローをモデル化したカソード蒸気ネットワークに接続されています。

膜・電極接合体 (MEA) を熱流体ネットワークと 2 つの蒸気ネットワークに接続し、PEM 電解槽システムを作成する方法を示した Simulink モデル。

電気システムの一部である水素発生装置モデルには、電解槽のスタック効率、水素製造量、水消費量を節減するためのトレードスタディを行うフレームワークが用意されています。電気化学反応、水と水素の処理、および熱マネジメントシステムを使用した水素発生装置モデルでは、再生可能エネルギー (ソーラーパネル、風力発電プラントなど) やエネルギー貯蔵システムと組み合わせることで、マイクログリッドなどのグリーン水素製造システムをモデル化できます。